向日葵式追光智能太陽能路燈設計探討

李曉諾，王 鑫，周達志，陳佳瑜，李茹婷

（安徽三聯學院交通工程學院 安徽 合肥 230601）

0 引言

現如今，“雙碳”綠色經濟的快速發展已經成為全球首要熱點話題。文中所提到的“雙碳”即指“碳達峰”和“碳中和”。其中，“碳達峰”是指CO2排放量達到我國有史以來的最高點，將產量趨勢由增轉為降。“碳中和”是指在規定時間段內，二氧化碳的排放量與二氧化碳的吸收量達到平衡狀態。“碳中和”概念的產生是全球能源需求大形勢下的產物。

2006年，我國在“十一五”計劃綱領中提出節能減排計劃，目的是為了淘汰落后且重污染的相關產業，我國石油供給量不足，目前仍然需要進口。但全球油價漲幅不定，我國石油一直受控于歐美各國。為保證我國能源可以安全且高效使用，我國構建出一套自主可控的能源體系，力圖大力發展以電力、風力、氫氣等清潔能源為核心的新能源產業。2020年，中國首次推出“30·60”計劃，力爭2030完成“碳達峰”目標、2060完成“碳中和”計劃。高碳能源體系向綠色清潔能源體系的整體轉移。就現階段各國能源發展情況來看，關于這次“雙碳”計劃的能源革命堪比第一次工業革命。現階段，各能源的使用和發展方向在全球史上將出現一個重要的轉折點。

隨著大量石油、天然氣等化石燃燒大量的開采和使用，導致“溫室效應”和全球氣候變暖等全球性的氣候問題，也產生了酸雨、霧霾等嚴重的環境污染；同時化石燃料是不可再生資源，隨著大量的開采日益枯竭。正因為這些問題日益凸顯出來，世界上很多國家開始重視太陽能的開發和利用，地球所接受到的太陽能總量是全球所有國家所需能量的三萬倍至四萬倍，因此全球對有效利用太陽能這一問題極為重視。以內蒙古為例，內蒙古太陽能資源總量及開發潛力巨大，是大規模發展綠色清潔新能源發電的重要戰略資源。太陽能資源總量居全國第二位，僅次于西藏，日照時間2 517～3 277 h，每平方米太陽能輻射量4 800～6 400焦耳，特別是西部阿拉善盟等地的戈壁、沙漠、沙地等地域，太陽能資源尤為豐富。

路燈作為交通設施之一，對我們夜間照明起著非常重要的作用，但是大多數情況下，路燈存在照明度不夠、照明時長不充足等問題。據資料顯示，太陽能路燈一般于19:00開始照亮，于凌晨3:00停止。而夜晚無路燈照亮期間仍有車輛行駛、行人走動，為道路安全管理帶來極大不便。該項目目的是研發一種可360°旋轉，具備追光兼聚光功能的太陽能路燈。本文研究的主要方向是增加太陽能電池板對光能量的吸收，提高光能源的利用率，從而有效節約能源，解決太陽能路燈夜晚亮度不夠、照亮時間不長等問題。

1 國內外路燈發展情況對比

1.1 國內太陽能路燈市場現狀

近年來，人們節能環保的意識逐漸增強，國內太陽能路燈產量一直保持持續增長，太陽能路燈這個新興行業呈現出較快發展速度。太陽能同風能、生物能等新生能源路燈逐漸引起人們的關注，但光伏轉化效果卻不理想。因此，提高能量轉換效率是新能源發展最重要的，同時也是爭相研究的方向。我國高緯度地區眾多，其中甘肅、寧夏、新疆和青藏高原等地區的太陽能輻射總量最大，全年平均日照時長可達3 200～3 300 h，等同于225～285 kg標準煤炭的燃燒所產生的光伏電池熱量，因此如何合理高效地利用該能源成為當地人們關注的焦點。

1.2 國外太陽能路燈市場現狀

太陽能路燈作為新興產業發展較為迅速，各國在路燈的研發中，將焦點放在了電量供給上。1839年，貝克雷爾發現電勢差的現象，即“光生伏打效應”；1954年，恰賓和皮爾松制出單晶硅光伏電池，發明了可實用的光伏發電技術；2004年，Amonix研制出了92倍聚光條件下效率高達27.6%的太陽能背結硅電池；2011年，Solar Junction研發出聚光三結砷化稼電池，該電池在1 000倍聚光條件下效率可以保持在43%；Sandia國家級實驗室最早設計研發聚光光伏發電技術，并建成世界上第一座聚光光伏發電陣列[1]。

砷化稼是目前轉化率較高的材料，但其價格昂貴，不能廣泛推廣使用。而提高能量轉換效率的同時可廣泛應用是新能源材料發展最重要的研究方向，能否通過提高能源收集方式來提高其能量轉換效率成為重點研究話題。

2 設計思路

根據現有的資料對路燈進行實地調查，統計居民對路燈的意見和想法，分析當前路燈所存在的不足，并對所產生的問題進行設計規劃。計算太陽能電伏板的平均供應量，統計路燈照明的時長，觀察太陽能路燈與傳統路燈的亮度，再將改良后向日葵式太陽能路燈與傳統路燈進行比較 ，對比兩者長供電量、照明時長及照射亮度。分析光的折射，確定太陽能電池板凹面的夾角，使光的折射達到最大限度，從而吸收更多的光能，使得電池板將光能轉換為電能的能量更多，從而達到增大供電量的目的。

通過網上數據調查，統計歸納出白天各地區的光照時長及光照強度，分析其利弊，思考該路燈是否更適宜該地區使用，太陽能電伏板的追光是否能為該地區提供更多便利，思考改良后的路燈的用處。計算改良后的向日葵式太陽能路燈的供電量，再通過統計調查傳統路燈的供電量以及日常太陽能路燈的供電量，計算其差值。

3 設計原理

3.1 太陽能追光設計原理

本項目設計的電路部分以單片機作為核心主板，運用光敏電阻采集光源光線，經電壓比較器處理后并將數據傳輸給單片機，該單片機將處理后的數據再傳輸給電機驅動系統，最終控制兩路電機對水平和垂直方位上電池板的高度進行了調整[2]，見圖1。

3.1.1 太陽能板的尋光系統

尋找光源對光電進行檢測是本裝置的主要部分，該設計為要求太陽能電池板始終對著太陽，則需要4個光敏分別對太陽光進行檢測其強弱，光敏分別采用一個垂直于太陽能板模板的平臺上進行安裝，而其檢測的精度則需要通過調節光電檢測模板在各種工作環境中的滑動變阻器來完成。其中光電檢a對左光線位置進行檢測，當光線逐漸遠離電池板時a處的檢測系統就會發出一個信號，單片機通過這個信號將驅動電機M1轉向，從而使電池板跟著光線左轉；光電檢測b對右邊的光線位置進行檢測，當光線完全遠離電池板時b處檢測得到，并將信號傳輸給單片機信號，單片機驅動電機M1轉向使電池板跟著光線向右旋轉[3]。同理，光電式檢測c、d對于太陽光在垂直方向上的角度變化進行檢測，單片機經過進一步的處理之后控制電機M2正、反方向的旋轉，進而可以實現電池板在垂直方向上的自動調整，見圖2。

電池板垂直方向上的調整電機M2加入一個減速箱使其變化速率減小，避免因變化太快使光電檢測誤檢，否則會導致電池板在垂直方向不停地擺動[4]。

3.1.2 電壓比較器的電路介紹

電壓比較器的作用是比較兩個電壓的大小。當“＋”端電壓較高于“－”端，電壓比較器的輸出為高電平狀態；相反，當“＋”輸入端電壓低于“－”輸入端，電壓比較器的輸出為低電平狀態。

該設計中具體采用的尋光電路見圖3，電路采用光敏電阻作為尋光傳感元件。

3.1.3 電機驅動

在追光設計中電機驅動部分采用繼電器驅動方式，電機的正反轉都由一個單路和一個雙路繼電器組合完成，其中單路繼電器的使用用于控制相應電機的驅動電源的通斷，雙路繼電器用控制電機的正反轉方向[4]。其原理圖見圖4。

3.2 太陽能聚光設計原理

經調查統計，相比平面太陽能光板凹面光板的集熱效率更高。因此，本文從光學、熱學、電學的角度對該款凹面太陽能光板進行模型建立，通過電板產生光生伏特效應將光能轉換成電能。該項目太陽能電路板聚光系統主要由菲涅爾透鏡和多個小型硅晶板組成。

菲涅爾透鏡：數學家菲涅爾將傳統的平面凸鏡材料去除約80%，并將冠狀表面薄片的表面透鏡拉平，因此形成了由一系列小棱鏡組成的平面透鏡，該小棱鏡被稱為“菲涅爾透鏡”[5]。該透鏡不僅減少了重量，而且節約了制作成本。

硅晶板：該設計采用的硅晶板即由小型硅晶片通過串并聯電路連接，形成一個內陷凹面。該反射式聚光技術將光進行二次折射從而大大提高光電轉化率。

3.3 技術路線

該項目需要兩方面技術才能運行。（1）電路的連接，主要的電路連接技術在于將電池板的小型硅晶體通過串并聯依次進行連接，最終拼接成一個凹形圓曲面，從而達到了聚光的效果；其次是太陽能路燈整體部分的連接。（2）程序的編輯，通過程序對電池板下達指令，使得太陽能電池板可跟隨太陽的轉動而旋轉，從而增大可利用面積來提高太陽光的利用率，達到了增加光能吸收的效果。

3.4 實施方案

（1）改變現有太陽能光板平衡轉動控制裝置，使其可以360度旋轉。

（2）旋轉基礎上加入感應裝置，即追光系統，主要采用了光電檢測原理，利用尋光元件。

（3）由于平面太陽光板不如凹面光板的集熱效率，所以我們設計了一種凹面性的太陽光板，加快集熱效率，最大利用太陽光。

（4）對實驗結果進行計算，具體分析出電機耗能，與改造前相比減少了能耗。

4 創新特色

太陽能的追光性：太陽能路燈360°可旋轉追光，極大程度上提高了對太陽光的利用率，解決了太陽能路燈晚上照亮時常不足的缺點。同時考慮到電機耗電問題，向日葵式太陽能路燈設置了光感應器，當光照強度達到一定數值時開始轉動，這樣可以改善電機耗電情況，從而達到的效果更佳。

太陽能的聚光性：利用光的折射原理和太陽光的照射角度，將原本為平面的太陽能電伏板改為凹面太陽能電伏板，利用光線折射及增大可利用面積來提高太陽光的利用率，達到了增加光能吸收的效果。

5 應用前景

目前，能源短缺問題尚未解決，隨著時代的發展其形勢越來越嚴峻。據統計，不可生能源不斷減少，近幾年新能源的發展速度逐漸高漲，但是人們對新能源的利用率極低。因此，提高新能源利用率成了當今世界的一大熱點。該設計不僅很好地改善了能源短缺的問題，而且在一定程度上保護了環境。

路燈的發明使用意義重大，它可以照亮回家的路途，降低了夜間交通事故的發生率。但路燈的耗電量卻十分大，因此需要研發一種既節能環保又可以為人們夜間照明的路燈，而這種路燈就是應用前景廣闊的太陽能路燈。

6 結語

據統計，照亮時長不足、亮度不夠是目前太陽能路燈的最大弊端，二者最根本的原因其實仍歸根于供電不足。本文研究方案是建設一種新型向日葵式追光智能太陽能路燈，其具有360 °旋轉的特性，可迅速感知最佳光源，以便最大限度地吸收光熱，轉化為電能。同時，該方案對電機的需求能量比傳統較少，且較大程度地利用凹面光板的集熱效果，達到熱能的有效轉化，其操作可行性較大。并且本項目可以有效改善供電問題，尤其是在偏遠無電且晝夜溫差大的地區，其具有廣泛的應用前景。